7. L-Band Digital Aeronautical Communications System (LDACS)
现代空中交通管理 (Air Traffic Management, ATM) 系统的主要支柱之一, 是存在一种通信基础设施, 能够在飞行的所有阶段实现高效的航空器引导和安全间隔. 尽管现有系统在技术上已经成熟, 但它们受到高密度区域 VHF 频段日益饱和以及模拟无线电局限性的影响. 因此, 航空业, 特别是全球航空业和 European Union (EU) 内的航空业, 正在努力实现航空通信基础设施的可持续现代化.
从长期看, ATM 通信应从模拟 VHF 语音和 VHF Digital Link (VDL) Mode 2 通信, 过渡到频谱效率更高的数字数据通信. European ATM Master Plan 设想通过开发和实施 L-band Digital Aeronautical Communications System (LDACS), 在地面通信中实现这一过渡.
LDACS 的设计面向与飞行安全性和正常性相关的应用. 因此, 它被设计为一种尽可能确定性的无线数据链路.
LDACS 是一种安全, 可扩展且频谱效率高的数据链路, 并内嵌导航能力. 因而, 它是 International Civil Aviation Organization (ICAO) 认可的第一个真正集成的 Communications, Navigation, and Surveillance (CNS) 系统. 在飞行测试中, LDACS 的能力已经得到成功验证. 目前已经开发出一种可行的部署场景, 允许逐步引入 LDACS, 并立即产生使用价值和收益. 最后, ICAO 正在制定 LDACS 标准, 为未来铺平道路.
LDACS 应支持基于 IPv6 的空地通信, 用于与飞行安全性和正常性相关的业务. 其特殊挑战在于, 已无法为地面航空通信提供新的频率资源. 因此, 必须制定相关流程, 使 LDACS 能够与同一频段内的其他服务并行运行. 更多信息见 [RFC9372].
7.1. 来源和文档 (Provenance and Documents)
LDACS 的开发已经在 Single European Sky ATM Research (SESAR) 框架内取得实质性进展, 目前正在后续计划 SESAR2020 [RIH18] 中继续推进. SESAR 活动的一个关键目标是开发, 实现并验证一种现代航空数据链路, 使其能够长期随航空需求演进. 为此, 已经产生了一份 LDACS 规范 [GRA19], 并持续更新. 同时, 研究人员开发了发射机演示系统, 用于测试 LDACS 与 L-band 中运行的传统系统之间的频谱兼容性 [SAJ14], 并通过计算机仿真分析了整体系统性能, 结果表明 LDACS 可以满足已识别的需求 [GRA11].
ICAO 框架内的 LDACS 标准化工作始于 2016 年 12 月. ICAO 标准化组已经产生了一份初始的 Standards and Recommended Practices (SARPs) 文档 [ICAO18]. 该 SARPs 文档定义了 LDACS 的总体特性.
到目前为止, LDACS 标准化一直聚焦于 Physical (PHY) layer 和 data link layer 的开发. 直到最近, 更高层才进入 LDACS 开发活动的关注范围. 当前尚无 "IPv6 over LDACS" 规范. 但是, SESAR2020 已经开始测试基于 IPv6 的 LDACS testbeds. 航空电信网络的 IPv6 架构称为 Future Communications Infrastructure (FCI). FCI 应在 "multi-link concept" 的框架下支持 QoS, 多样性和移动性. 这项工作由 ICAO WG-I Working Group 开展.
除标准化活动之外, 业界还构建了多个 LDACS 原型. 其中一组 LDACS 原型已经在飞行试验中进行评估, 确认了预测系统性能的理论结果 [GRA18] [BEL22] [GRA23].
7.2. 总体特性 (General Characteristics)
LDACS 将成为若干无线接入网络之一, 用于将航空器连接到 Aeronautical Telecommunications Network (ATN). LDACS 接入网络包含若干地面站, 每个地面站提供一个 LDACS 无线电小区. LDACS 空中接口是一种蜂窝数据链路, 采用星型拓扑, 通过全双工无线链路连接航空器和地面站. 每个地面站都是集中式实例, 控制其无线电小区内的所有空地通信.
LDACS 的用户数据速率取决于编码和调制方式, 在 forward link (FL) 上为 315 kbit/s 到 1428 kbit/s, 在 reverse link (RL) 上为 294 kbit/s 到 1390 kbit/s. 由于 L-band 中传统系统会产生强干扰, 初始部署应预期采用最稳健的编码和调制方式, 即 FL 上 315 kbit/s, RL 上 294 kbit/s.
除通信能力外, LDACS 还提供导航能力. 类似 Distance Measuring Equipment (DME) 的测距数据, 可从航空器和 LDACS 地面站之间的 LDACS 通信链路中提取. 这使 LDACS 能够提供 Alternative Position, Navigation, and Timing (APNT) 能力, 在不需要额外带宽的情况下补充现有机载 Global Navigation Satellite System (GNSS). 在运行层面, 对飞行员而言, 导航数据由 LDACS 还是 DME 提供并无区别. 这一能力已经在 2019 年 MICONAV 飞行试验中经过飞行测试并得到证明 [BAT19].
以往工作以及 2019 年 MICONAV 飞行活动还表明, LDACS 可以用于监视能力. Filip 等人 [FIL19] 展示了 LDACS 的无源雷达能力, 并且在 2019 年飞行活动中通过 LDACS 演示了 Automatic Dependence Surveillance - Contract (ADS-C) [SCH19].
由于 LDACS 主要面向空中交通管理通信而设计, 它支持相互实体认证, 用户数据消息的完整性和保密性能力, 以及若干控制信道保护能力 [MAE18] [MAE191] [MAE192] [MAE20].
总体而言, 这使 LDACS 成为世界上第一个真正集成的 CNS 系统, 也是全球民航领域最成熟, 安全且基于地面的远距离 CNS 技术.
7.3. 部署和频谱 (Deployment and Spectrum)
LDACS 源自 B-VHF [BRA06], B-AMC [SCH08], TIA-902 (P34) [HAI09] 和 WiMAX IEEE 802.16e [EHA11] 技术中部分内容的融合. 2007 年, LDACS 频谱在 World Radio Conference (WRC) 上获得分配.
会议决定将频谱分配在 Distance Measuring Equipment (DME) 附近, 从而形成一种在 DME 信道之间部署 LDACS 的 in-lay 方法 [SCH14].
LDACS 目前正在由 ICAO 进行标准化, 并且有多种部署策略正在讨论.
LDACS 数据链路为现有航空通信基础设施提供增强能力, 使其能够更好地支持用户需求和新应用. LDACS 的部署可扩展性允许首先在最需要的区域实施, 以立即改善已部署基础设施的性能. 之后, 可根据运行需求扩展部署. 下文描述了一种有吸引力的场景, 即通过增加一条额外的 LDACS 数据链路来升级现有 VHF 通信系统.
在考虑当前 VDL Mode 2 基础设施和用户基础时, 如果将 LDACS 的技术优势与现有 VDL Mode 2 基础设施结合起来, 就会形成非常有吸引力的双赢局面. LDACS 提供的容量至少是 VDL Mode 2 的 50 倍, 并且是现有 VDL Mode 2 商业模式的自然增强. 这种方法的优势在于, VDL Mode 2 基础设施可以被完全复用. 除此之外, 它还为进一步增强打开了道路 [ICAO19].
7.4. 对确定性流的适用性 (Applicability to Deterministic Flows)
由于 LDACS 是一种面向飞行引导以及与飞行安全性和正常性相关通信的地基数字通信系统, 对安全关键消息提供有时间边界的确定性到达时间, 是其成功部署和推广的关键特性.
7.4.1. 系统架构 (System Architecture)
最多 512 个 Aircraft Stations (ASes) 通过 reverse link (RL) 与一个 LDACS Ground Station (GS) 通信. GS 通过 forward link (FL) 与 AS 通信. GSs 通过 Access-Router (AC-R) 将 LDACS 子网连接到全球 Aeronautical Telecommunications Network (ATN), 对应的 Air Traffic Services (ATS) 和 Aeronautical Operational Control (AOC) 端系统连接在该网络上.
7.4.2. 无线电协议栈概览 (Overview of the Radio Protocol Stack)
LDACS 的协议栈在 AS 和 GS 中实现. 它由 Physical (PHY) layer 及其上方的 5 个主要功能块组成. 其中 4 个位于 AS 和 GS 的 data link layer (DLL):
-
Medium Access Layer (MAC),
-
Voice Interface (VI),
-
Data Link Service (DLS), 以及
-
LDACS Management Entity (LME).
最后一个实体位于 subnetwork layer 中: Subnetwork Protocol (SNP). LDACS 网络在外部连接到 voice units, radio control units 和 ATN network layer.
MAC 和 LME 层之间的通信被拆分为 4 个不同的控制信道:
-
Broadcast Control Channel (BCCH), LDACS 地面站在该信道上通告其特定的 LDACS 小区, 包括物理参数和小区标识;
-
Random Access Channel (RACH), LDACS 机载无线电可在该信道上请求接入 LDACS 小区;
-
Common Control Channel (CCCH), LDACS 地面站在该信道上向航空器无线电分配资源, 使机载侧能够传输用户负载; 以及
-
Dedicated Control Channel (DCCH), LDACS 机载无线电可在该信道上向 LDACS 地面站请求用户数据资源, 以便机载侧传输用户负载.
MAC 和 DLS 层之间的通信由 Data Channel (DCH) 处理, 用户负载也在该信道上处理.
图 10 展示了在 AS 和 GS 中实现的 LDACS 协议栈.
IPv6 Network Layer
|
|
+------------------+ +----+
| SNP |--| | Subnetwork
| | | | Layer
+------------------+ | |
| | LME|
+------------------+ | |
| DLS | | | Logical Link
| | | | Control Layer
+------------------+ +----+
| |
DCH DCCH/CCCH
| RACH/BCCH
| |
+--------------------------+
| MAC | Medium Access
| | Layer
+--------------------------+
|
+--------------------------+
| PHY | Physical Layer
+--------------------------+
|
|
((*))
FL/RL radio channels
separated by
frequency division duplex
图 10: AS 和 GS 中的 LDACS 协议栈.
7.4.3. 无线电 (PHY)
PHY 层提供通过无线电信道传输数据的手段. LDACS 地面站支持与其控制下多个航空器之间的双向链路. FL 方向, 即地到空, 和 RL 方向, 即空到地, 通过 frequency division duplex 分离. FL 和 RL 各使用一个 500 kHz 信道. 地面站在 FL 上发送连续的 OFDM 符号流. 在 RL 中, 不同航空器通过 Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) 和 Time-Division Multiple-Access (TDMA) 的组合, 在时间和频率上分离. 因此, 航空器在 RL 上不连续发送, 并在由地面站分配的精确定义传输机会中发送无线电突发. LDACS 的 PHY 层上最重要的服务是 PHY time framing service, 它指示 PHY 层已准备好在给定时隙中发送, 并向 MAC time framing service 指示 PHY 层成帧和定时. LDACS 不支持 beam-forming 或 Multiple Input Multiple Output (MIMO).
7.4.4. 调度, 帧结构和 QoS (MAC)
data link layer 提供必要的协议, 以便为多个用户实现并发且可靠的数据传输. LDACS data link layer 组织为 2 个子层: medium access sublayer 和 logical link control sublayer. medium access sublayer 管理时间和频率时隙中传输机会的组织. logical link control sublayer 使用 automatic repeat request protocol, 在航空器和地面站之间提供带确认的点到点逻辑信道. LDACS 还支持无确认的点到点信道以及地到空广播.
下面先介绍 LDACS 的帧结构, 随后更深入讨论 LDACS medium access.
FL 和 RL 的 LDACS 成帧结构基于持续时间为 240 ms 的 Super-Frames (SF). 每个 SF 对应 2000 个 OFDM 符号. 从 GS 的视角看, FL 和 RL 的 SF 边界在时间上对齐.
在 FL 中, 一个 SF 包含一个持续时间为 6.72 ms (56 个 OFDM 符号) 的 broadcast frame, 用于 Broadcast Control Channel (BCCH), 以及 4 个 Multi-Frames (MF), 每个 MF 的持续时间为 58.32 ms (486 个 OFDM 符号).
在 RL 中, 每个 SF 以一个长度为 6.72 ms 的 Random Access (RA) slot 开始, 其中包含 2 个发送 RL random access frames 的机会, 用于 Random Access Channel (RACH), 随后是 4 个 MFs. 这些 MFs 与 FL 中一样具有固定的 58.32 ms 持续时间, 但内部结构不同.
图 11 和图 12 展示了 LDACS 帧结构. 这种固定帧结构允许可靠且可信赖的数据传输.
^
| +------+------------+------------+------------+------------+
| FL | BCCH | MF | MF | MF | MF |
F +------+------------+------------+------------+------------+
r <---------------- Super-Frame (SF) - 240 ms --------------->
e
q +------+------------+------------+------------+------------+
u RL | RACH | MF | MF | MF | MF |
e +------+------------+------------+------------+------------+
n <---------------- Super-Frame (SF) - 240 ms --------------->
c
y
|
----------------------------- Time ------------------------------>
|
图 11: LDACS 的 SF 结构.
^
| +-------------+------+-------------+
| FL | DCH | CCCH | DCH |
F +-------------+------+-------------+
r <--- Multi-Frame (MF) - 58.32 ms -->
e
q +------+---------------------------+
u RL | DCCH | DCH |
e +------+---------------------------+
n <--- Multi-Frame (MF) - 58.32 ms -->
c
y
|
-------------------- Time ------------------>
|
图 12: LDACS 的 MF 结构.
下面介绍 LDACS medium access layer.
LDACS medium access 始终由一个无线电小区的地面站控制. 对用户数据传输的任何 medium access 都必须通过 resource request message 请求, 并在消息中说明所请求的资源量和服务类别. 地面站基于这些请求执行资源调度, 并通过 resource allocation messages 授予资源. resource request 和 allocation messages 通过专用的无竞争控制信道交换.
LDACS 有 2 种机制可向地面站中的调度器请求资源. 资源可以 "on demand" 请求, 也可以由 LDACS 地面站按照给定服务类别永久分配. 在 FL 上, 这在地面站本地完成. 在 RL 上, 则使用一个专用的无竞争控制信道, 即 Dedicated Control Channel (DCCH), 大约每 60 ms 83 bits. 资源分配始终在 FL 的控制信道, 即 Common Control Channel (CCCH), 可变大小, 中通告. 由于 RL 控制信道的间隔为每 60 ms 一次, 因此可预期 medium access 延迟也处于相同数量级.
资源也可以 "permanently" 请求. permanent resource request 机制支持以给定时间间隔请求周期性资源. permanent resource request 必须由用户取消, 或由始终处于控制地位的地面站取消. 因此, 经由 LDACS 的用户数据传输始终由地面站调度, 而控制数据使用静态分配, 即在 net entry 时分配, 的周期性资源 (DCCH 和 CCCH). 当前规范文档未规定调度算法. 但是, 为简化起见, 迄今的性能评估使用了 strict priority scheduling, 并对相同优先级使用 round robin. 因此, 在当前原型实现中, LDACS 服务类别被实现为 medium access 的优先级, 而不是流. 注意, 这可能使低优先级流发生饥饿. 不过, 这并不被视为严重问题, 因为与安全相关的消息在任何情况下都会优先处理. RL 资源调度以 112 bits 的物理 Protocol Data Units (PDU) 为单位完成, 如果使用更激进的编码和调制, 则可以使用更大的 PDU. FL 上的调度按字节完成, 因为 FL 由地面站连续发送.
为支持多样性, LDACS 支持切换到其他信道上的其他地面站. 切换可以由航空器发起, 即 break before make, 也可以由地面站发起, 即 make before break. 此外, FCI 多样性应通过 multi-link concept 实现.